BRPI0614255A2 - calcination method of a material with low nox emission - Google Patents
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Abstract
Description
MÉTODO DE CALCINAÇÃO DE UM MATERIAL COM BAIXA EMISSÃO DE NOxCALCINATION METHOD OF A LOW NOx EMISSION MATERIAL
A presente invenção refere-se um método para melhorara combustão em um forno industrial à temperatura elevadabem como um dispositivo para melhoria da combustão em talforno.The present invention relates to a method for improving combustion in a high temperature industrial furnace as well as a device for improving combustion in talforno.
É conhecido que os métodos industriais à temperaturaelevada que utilizam para fonte de energia os combustíveiscom teor significativo em nitrogênio, como o carvão ou ocoque de petróleo, que geram emissões importantes de óxidosde nitrogênio (NOx). NOx é o termo coletivo para designartodos os óxidos de nitrogênio, principalmente o monóxido denitrogênio (NO) e o dióxido de nitrogênio (NO2) . Distingue-se principalmente dois tipos NOx de acordo com o mecanismoda sua formação: os NOx do combustível e os NOx térmico. OsNOx do combustível resultam da oxidação dos compostosnitrogenados do combustível. Os NOx térmicos, quecorrespondem a uma oxidação do nitrogênio atmosférico pelooxigênio de combustão, dependem principalmente de 3variáveis:It is well known that high temperature industrial methods that use fuel with significant nitrogen content, such as coal or petroleum oil, to generate significant emissions of nitrogen oxides (NOx). NOx is the collective term for all nitrogen oxides, especially denitrogen monoxide (NO) and nitrogen dioxide (NO2). Two NOx types are mainly distinguished according to the mechanism of their formation: fuel NOx and thermal NOx. The NOx of the fuel results from the oxidation of hydrogenated fuel compounds. Thermal NOx, which corresponds to oxidation of atmospheric nitrogen by combustion oxygen, mainly depends on 3 variables:
- a concentração de oxigênio nas zonas de temperaturaelevada da chama (>1200°C),- the oxygen concentration in the high temperature range of the flame (> 1200 ° C),
- o tempo de residência do oxigênio nestas zonas, esobretudo- the residence time of oxygen in these zones, especially
- a temperatura nestas zonas.- the temperature in these areas.
Os NOx são tóxicos para as plantas e principalmente odióxido de nitrogênio pode desencadear dificuldadesrespiratórias no homem. Os NOx são igualmente um dosprecursores principais na formação do ozônio. Além disso,as emissões de NOx participam da acidificação e daeutrofização do solo.NOx are toxic to plants and especially nitrogen dioxide can trigger respiratory difficulties in humans. NOx are also one of the main precursors in ozone formation. In addition, NOx emissions contribute to soil acidification and eutrophication.
0 problema das emissões de NOx ocorre em todas as asindústrias que utilizam métodos à temperatura elevada. Umadas indústrias particularmente referida é a da fabricaçãode cimento, onde os métodos de fabricação estão sujeitos anormas cada vez mais estritas relativas as emissões deóxidos de nitrogênio (NOx) . Nestes métodos de produção decimento, a formação do NOx do combustível é ligada autilização de combustíveis com teor significativo denitrogênio, pelos quais a oxidação dos compostosnitrogenados do combustível conduzem à formação de NO. Estemecanismo tem lugar por sua vez a nível do queimador doforno giratório, no momento da ignição do combustível, e noprécalcinador quando ele existe. Os NOx térmicos, por suavez, são inevitáveis na zona de combustão do fornogiratório, devido a necessidade de uma temperaturasuficientemente elevada para a reação chamada declinquerização do cru (1450°C), acelerando assim a oxidaçãodo nitrogênio atmosférico.The problem of NOx emissions occurs in all industries using high temperature methods. One of the particularly mentioned industries is cement manufacturing, where manufacturing methods are subject to increasingly stringent anomalies regarding nitrogen oxide (NOx) emissions. In these decay production methods, the formation of fuel NOx is linked to the use of significant nitrogen-containing fuels, whereby the oxidation of hydrogenated fuel compounds leads to the formation of NO. This mechanism takes place in turn at the level of the rotary kiln burner at the time of ignition of the fuel and at the precalciner when it exists. Thermal NOx, in turn, is unavoidable in the combustion zone of the furnace, due to the need for a sufficiently high temperature for the reaction called crude declinerization (1450 ° C), thus accelerating the oxidation of atmospheric nitrogen.
As técnicas atuais para reduzir as emissões de NOxpodem ser classificadas em duas categorias: as técnicasprimárias que limitam a formação do NOx no momento dacombustão e as técnicas secundárias, baseadas em umtratamento da fumaça para eliminar o NOx criado à montante.Current techniques for reducing NOx emissions can be classified into two categories: primary techniques that limit NOx formation at the time of combustion, and secondary techniques based on smoke treatment to eliminate upstream NOx.
Para permitir reduzir eficazmente a formação do NOxnos métodos de produção de cimento, qualquer técnicaprimária deve-se limitar ao mesmo tempo a formação dos NOxdo combustível e dos NOx térmicos. Entre as principaismedidas primárias, encontra-se:In order to effectively reduce the formation of NOx in cement production methods, any primary technique should at the same time limit the formation of fuel NOx and thermal NOx. Among the main primary measures are:
- os queimadores baixos de N0X, que otimizam a misturado combustível e das diferentes injeções de comburente afim de limitar principalmente a formação dos NOx térmicospara um efeito de escalonamento local da combustão. Estemétodo encontra os seus limites nas instabilidades de chamaque são geradas quando o ar primário é reduzido abaixo delimites aceitáveis (-10% de ar estequiométrico necessário).- N0X low burners, which optimize the mixed fuel and the different oxidizer injections in order to mainly limit the formation of thermal NOx for a local combustion scaling effect. This method finds its limits on the flare instabilities that are generated when the primary air is reduced below acceptable limits (-10% stoichiometric air required).
As reduções disponíveis são de aproximadamente 30%.The available reductions are approximately 30%.
- o resfriamento da chama por injeção de água, que tempor objetivo reduzir os NOx térmicos baixando os picos detemperatura na chama. Pode-se assim atingir até 50% deredução dos NOx, mas este método reduz significativamente orendimento de combustão e revela-se o causador de problemasno funcionamento do forno.- water injection cooling of the flame, which aims to reduce thermal NOx by lowering the temperature peaks in the flame. This can achieve up to 50% NOx reduction, but this method significantly reduces the combustion efficiency and proves to be the cause of problems in the furnace operation.
- o escalonamento da combustão entre o forno giratórioe o précalcinador quando existe, permite efetuar umaredução do NOx a temperatura elevada na saída do fornogiratório e completar em seguida a combustão a jusante noprécalcinador e na unidade de pré-aquecimento. Os níveis deredução dos NOx de até 50% são afirmados, mas estessistemas são pesados em custo de investimento devido asimportantes modificações da instalação que eles necessitam.- the combustion stepping between the rotary kiln and precalciner, if any, allows a high temperature reduction of NOx at the outlet of the furnace and then completing the downstream combustion in the precalciner and preheating unit. NOx reduction levels of up to 50% are stated, but these systems are heavy on investment cost due to the important installation modifications they require.
Os numerosos problemas de formação excessiva de CO sãoigualmente mencionados, que não permitem obter taxas deredução do NOx regulares.The numerous problems of excessive CO formation are also mentioned, which do not allow to obtain regular NOx reduction rates.
Hoje em dia nenhuma destas técnicas primárias sãocapazes de reduzir suficientemente as emissões de NOx, oque leva a produção de cimento utilizar métodos secundáriosdispendiosos a fim de respeitar as normas em vigor.Nowadays none of these primary techniques are capable of sufficiently reducing NOx emissions, which leads to cement production using expensive secondary methods in order to comply with current standards.
As medidas secundárias utilizadas são clássicas:trata-se dos métodos catalíticos ou de não redução dos NOx(SNCR = redução seletiva não catalítica, SCR = reduçãoseletiva catalítica) baseados na injeção de amoníaco ou deuréia nas fumaças para reduzir o NO em N2. As maioresreduções de NOx são então possíveis, mas com custos deinvestimento e de funcionamento significativamente maiselevados. Além disso, estas técnicas requerem faixas detemperatura bem precisas e qualquer desvio pode entãoprovocar a emissão de amoníaco que não tenha reagido nafumaça, que pode em seguida se oxidar em NOx.The secondary measures used are classic: they are the catalytic or NOx reduction (SNCR = non-catalytic selective reduction, SCR = catalytic selective reduction) methods based on the injection of ammonia or deurea into smoke to reduce NO to N2. Larger NOx reductions are then possible, but with significantly higher investment and operating costs. In addition, these techniques require very precise temperature ranges and any deviation can then cause the emission of unreacted ammonia in the smoke, which may then oxidize to NOx.
Além da redução das emissões do NOx outra preocupaçãoessencial dos fabricantes de cimentos é a obtenção de umrendimento e uma qualidade satisfatórios. Técnicas queutilizem oxigênio ou gases enriquecidos de oxigênio foramdesenvolvidas. Elas são principalmente concebidas parapermitir um aumento da produção ou da qualidade do produtopermitindo um aumento da temperatura na zona declinquerização. Conseqüentemente, elas provocam geralmenteum aumento ou uma melhor manutenção dos níveis das emissõesde NOx em relação a um funcionamento sem acrescentaroxigênio.In addition to reducing NOx emissions, another key concern of cement manufacturers is achieving satisfactory performance and quality. Techniques that use oxygen or oxygen-enriched gases have been developed. They are primarily designed to allow an increase in production or product quality by allowing an increase in temperature in the decliner zone. As a result, they usually cause an increase or better maintenance of NOx emission levels compared to operation without adding oxygen.
0 documento US 3.397.256 descreve a utilização de umqueimador oxi-combustível colocado entre a carga e oqueimador principal, com o efeito de um aumentosignificativo de temperatura nesta zona, e assiminevitavelmente aumentando também a quantidade de NOxemitido.US 3,397,256 describes the use of an oxy-fuel burner placed between the charge and the main burner, with the effect of a significant temperature increase in this zone, and also inevitably increasing the amount of NOxemite.
0 documento US 5.572.938 divulga a injeção de oxigêniono ar primário, através do queimador principal, com oobjetivo de melhorar a transferência térmica da carga e daprodução. Nenhuma precisão é dada quanto a um método deinjeção que limita a formação dos NOx do combustível. Umainjeção de oxigênio é igualmente proposta exclusivamente naparte baixa do forno giratório, ao longo da carga, a fim deescalonar a combustão. Este posicionamento específicopermite conservar as condições oxidantes acima da carga elhe transferir mais energia, mas não permite uma misturaadequada com o conjunto de resíduos não queimados.US 5,572,938 discloses the injection of primary air oxygen through the main burner for the purpose of improving thermal transfer of charge and production. No precision is given as to an injection method that limits the formation of fuel NOx. An oxygen injection is also proposed exclusively in the low section of the rotary kiln along the load in order to stagger combustion. This specific positioning allows to keep oxidizing conditions above the load and to transfer more energy, but does not allow adequate mixing with the unburnt waste set.
0 documento US 5.580.237 descreve um injetor quepermite otimizar a injeção de oxigênio ao queimador, com umobjetivo de estabilização da chama. A quantidade de NOxemitido é mantida ou ligeiramente diminuída.US 5,580,237 describes an injector which allows for optimizing oxygen injection to the burner with a flame stabilization objective. The amount of NOxemitite is maintained or slightly decreased.
A patente US 6.309.210 da empresa requerente mostra oenriquecimento em oxigênio dos ares primários, secundáriose terciários a fim de melhorar a capacidade de resfriamentodo clinquer e de melhorar a combustão em geral. A diluiçãogeral do oxigênio no conjunto dos gases de combustão vai aencontro dos princípios de redução da quantidade de NOxemitido.U.S. Patent 6,309,210 discloses the oxygen enrichment of primary, secondary and tertiary airs to improve clinker cooling capacity and to improve overall combustion. The general dilution of oxygen in the flue gas assembly meets the principles of reducing the amount of NOxemite.
Um objetivo da presente invenção é então propor umatécnica inovadora de melhoria da combustão em um fornoindustrial a elevada temperatura, tal como um fornogiratório, que permite por sua vez reduzir as emissões deNOx e obter um rendimento e uma qualidade de produtosatisfatórios.An object of the present invention is therefore to propose an innovative combustion improvement technique in a high temperature industrial furnace, such as a rotary kiln, which in turn allows to reduce NOx emissions and obtain a satisfactory product yield and quality.
Para essa finalidade, a invenção refere-se a um métodode calcinação de um material, no qual o referido material éaquecido em contato com uma fonte de calor essencialmentecriada por uma chama gerada pelo menos por um fluxo (a) decombustível e de ar primário, e um fluxo (b) de arsecundário, a chama que compreende uma primeira (!) zona decombustão de temperatura inferior a 15000C e uma segunda(II) zona de combustão de temperatura superior a 1500°C,caracterizado pelo fato de que:For this purpose, the invention relates to a calcining method of a material, wherein said material is heated in contact with a heat source essentially created by a flame generated by at least one of the combustion and primary air flow, and a secondary airflow (b), the flame comprising a first (!) combustion zone of temperature below 15000C and a second (II) combustion zone of temperature greater than 1500 ° C, characterized in that:
- injeta-se pelo menos um fluxo (c) de pelo menos deum gás inerte dentro da chama a nível do início da segunda(II) zona de combustão, e/ou- at least one flow (c) of at least one inert gas is injected into the flame at the beginning of the second (II) combustion zone, and / or
- injeta-se pelo menos um fluxo (d) de oxigênio ou deum gás enriquecido de oxigênio a nível da segunda (II) zonade combustão.At least one stream (d) of oxygen or one oxygen enriched gas is injected at the level of the second (II) combustion zone.
A divisão da chama em uma primeira e uma segunda zonade combustão é feita em função do tipo de NOx que é formadonesta zona quando o método de combustão é tradicional.The division of the flame into a first and a second combustion zone is a function of the type of NOx that is formed in this zone when the combustion method is traditional.
Assim a primeira zona de combustão é a zona ondedesencadeia-se a combustão e onde o mecanismo predominantede formação de NOx é o do NOx do combustível. A segundazona de combustão é a zona onde a chama atinge seus picosde temperatura ao contato do ar secundário e onde aformação dos NOx térmicos predomina. 0 limite entre aprimeira e a segunda zona de combustão é fixado no lugaronde a temperatura da chama atinge 1500°C, temperatura alémda qual a taxa de formação dos NOx térmicos aumentasignificativamente.Thus the first combustion zone is the combustion-triggering zone and where the predominant mechanism of NOx formation is that of the fuel NOx. The second combustion zone is the zone where the flame reaches its temperature peaks upon secondary air contact and where the thermal NOx formation predominates. The boundary between the first and the second combustion zone is fixed at the place where the flame temperature reaches 1500 ° C, beyond which the rate of formation of the thermal NOx increases significantly.
A injeção de pelo menos um fluxo pelo menos de um gásinerte a nível do início da segunda zona de combustãopermite, conservar ao mesmo tempo uma temperatura tãoelevada quanto possível a nível da primeira zona decombustão, absorver da energia térmica liberada no momentoda combustão do combustível com o ar secundário na segundazona de combustão. Assim, a temperatura da chama reduz-se anível da segunda zona de combustão. Preferivelmente,utiliza-se pelo menos dois fluxos de gás(es) inerte(s)colocados simetricamente. Desta maneira obtém-se uma melhorhomogeneização da temperatura na chama. 0 ou os gasesinertes que são utilizados para a injeção a nível do inícioda segunda zona de combustão são escolhidos vantajosamentedo grupo que consiste em nitrogênio, fumaça derecirculação, dióxido de carbono e vapor de água. 0nitrogênio é uma escolha privilegiada, principalmente ondea sua produção sobre o sítio de exploração do método atemperatura elevada pode ser realizado em conjunto com aprodução de oxigênio necessária para outras aplicações,como a injeção a nível da segunda zona de combustão deacordo com a invenção. Vantajosamente, o ou os fluxos degás inerte (s) é (ou são) injetado (s) a uma velocidadesuperior a do ar secundário a fim de ter uma penetraçãosuficiente até segunda a zona de combustão. Contudo estavelocidade continuará a ser inferior a velocidade do somtal como medido no forno, e preferivelmente uma faixa develocidade entre 0,2 Mach e 1 Mach (1 Mach que correspondea velocidade do som) a fim de assegurar uma misturaimediata ou do gás inerte (s) com a chama a partir da suaentrada na segunda zona de combustão.Injection of at least one flow of at least one gas inlet at the beginning of the second combustion zone shall, while maintaining as high a temperature as possible at the level of the first combustion zone, absorb the thermal energy released at the time of combustion of the fuel with the fuel. secondary air in the second combustion. Thus, the flame temperature is reduced at the second combustion zone. Preferably, at least two symmetrically placed inert gas (s) streams are used. In this way a better homogenization of the temperature in the flame is obtained. The inert gases which are used for injection at the start of the second combustion zone are advantageously chosen from the group consisting of nitrogen, recirculating smoke, carbon dioxide and water vapor. Nitrogen is a prime choice, especially where its production on the high temperature method exploration site can be accomplished in conjunction with the oxygen production required for other applications, such as injection into the second combustion zone according to the invention. Advantageously, the inert flow (s) (s) are (or are) injected at a higher velocity than secondary air in order to have sufficient penetration to the second combustion zone. However this speed will continue to be less than the speed of the somtal as measured in the oven, and preferably a speed range between 0.2 Mach and 1 Mach (1 Mach corresponding to the speed of sound) in order to ensure immediate mixing or inert gas (s). with the flame from its entry into the second combustion zone.
Para cada aplicação a pessoa habilitada na técnicasabe definir o número de fluxos que permite obter umcompromisso satisfatório entre a qualidade dehomogeneização do gás inerte com os gases da segunda zonade combustão e um débito global dado de gás inerte. No quediz respeito à qualidade de homogeneização do gás inertecom os gases da segunda zona de combustão, a pessoahabilitada na técnica sabe que ele aumenta aumentando onúmero de fluxo de gás inerte. Quanto à penetraçãosuficiente até a segunda zona de combustão a pessoahabilitada na técnica sabe que pode ser melhoradaaumentando o impulso destes fluxos de inertes, ou sejadiminuindo o número de fluxos. Compreende-se aqui porimpulso o produto do débito de gases pela sua velocidade.For each application the person skilled in the art can define the number of streams which gives a satisfactory compromise between the inert gas homogenization quality of the second combustion zone gases and a given overall inert gas flow rate. Regarding the homogenization quality of the inert gas with the gases of the second combustion zone, one skilled in the art knows that it increases by increasing the number of inert gas flow. As for sufficient penetration to the second combustion zone the skilled person knows that it can be improved by increasing the momentum of these inert streams, or by reducing the number of streams. Impulse here is understood as the product of gas flow by its velocity.
Esta mistura, e por conseguinte uma homogeneizaçãorápida da composição e a temperatura da chama, pode serfacilitada por uma injeção turbilhonante, caracterizada poruma componente tangencial impulsionada ao gás quando éinjetada.This mixture, and therefore rapid homogenization of the composition and flame temperature, can be facilitated by a swirling injection, characterized by a tangential gas-driven component when it is injected.
No que diz respeito ao ou aos fluxos de oxigênio ou degás enriquecido de oxigênio, injeta-se, preferivelmente, demodo que eles tangenciem a chama (F) a nível da segundazona de combustão, que permite amplificar as recirculaçõesdentro da chama (F) e obter a mistura do oxigênio ou do gásenriquecido de oxigênio e da chama a extremidade desta.For oxygen-enriched or oxygen-enriched flows or degas, it is preferably injected that they tangent the flame (F) at the second combustion zone, which allows the recirculations within the flame (F) to be amplified and obtained. the mixture of oxygen or oxygen enriched gas and flame the end of it.
Além disso, fornecendo o oxigênio desta maneira, o conjuntoda combustão realiza-se em condições ricas em combustível,reduzindo a temperatura de chama bem como o tempo deresidência e a concentração de oxigênio na chama. A fim dehomogeneizar a entrada de oxigênio, utiliza-sepreferivelmente pelo menos dois fluxos de oxigênio ou degás enriquecido de oxigênio colocado simetricamente emrelação ao eixo da chama. Quando a injeção de pelo menos umfluxo de oxigênio ou de gás enriquecido de oxigênio a nívelda segunda zona de combustão é praticada de acordo com ainvenção, reduz-se vantajosamente as perdas de arsecundário. Uma parte de oxigênio que é normalmente trazidopelo ar secundário, assim é substituído pelo oxigêniofornecido por esta injeção. Desta maneira, evita-secondições de combustão muito ricas em oxigênio, queconduziriam a um aumento da temperatura da chama e queiriam de encontro a redução da formação dos NOx térmicos.In addition, by supplying oxygen in this way, combustion is performed in fuel-rich conditions, reducing flame temperature as well as residence time and oxygen concentration in the flame. In order to homogenize oxygen inlet, preferably at least two oxygen-enriched or oxygen-enriched degas flows symmetrically placed relative to the flame axis. When injection of at least one oxygen stream or oxygen enriched gas at the level of the second combustion zone is practiced according to the invention, losses of secondary air are advantageously reduced. A part of oxygen that is normally brought in by the secondary air, is thus replaced by the oxygen provided by this injection. In this way, it avoids very oxygen-rich combustion conditions, which would lead to an increase in flame temperature and would want to reduce the formation of thermal NOx.
Preferivelmente, o (ou os) fluxo de oxigênio ou de gásenriquecido de oxigênio é (ou são) injetado (s) a umavelocidade superior 0,5 Mach, preferivelmente superiorMach. Desta maneira, obtém-se um ou vários jato(s) deoxigênio ou gás enriquecido de oxigênio dito(s) "coerente(s)", que não se degrada (m) durante a primeira parte dotrajeto no forno e se mistura(m) apenas com resíduos nãoqueimados no fim de chama, em uma zona onde a temperaturajá decresceu e onde o risco de formação de NOx térmico éentão reduzido. Além disso, este (ou estes) jato(s) de gásamplifica (m) as recirculações na base da chama bem como oentrada de produtos de combustão para o interior da chama,permitindo assim homogeneizar a temperatura e reduzir ospicos de temperatura da chama.Preferably, the oxygen or oxygen-enriched flow (s) is (or are) injected at a speed greater than 0.5 Mach, preferably greater than Mach. In this way one or more deoxygen jet (s) or "coherent" oxygen-enriched gas (s) are obtained, which does not degrade during the first part of the oven path and mix (m) only with unburnt residues at the end of the flame, in an area where the temperature has already decreased and where the risk of thermal NOx formation is then reduced. In addition, these gas jet (s) amplify the recirculations at the base of the flame as well as the entry of combustion products into the flame, thus allowing to homogenize the temperature and reduce the temperature flames of the flame.
Em um modo de realização preferido, os dois modos deinjeção tais como foram descritos previamente sãocombinados. Preferivelmente, as injeções são efetuadassimultaneamente.In a preferred embodiment, the two injection modes as previously described are combined. Preferably, the injections are performed simultaneously.
Vantajosamente, a injeção de gás inerte(s) e/ou ainjeção de oxigênio ou de gás enriquecido de oxigênio podemser combinadas com um enriquecimento baixo em oxigênio doar de transporte e de pulverização do combustível, a fim deaumentar a temperatura na zona de inflamação do combustívele assim reduzir a formação dos NOx do combustível, comoisto é descrito no pedido de patente WO 2004/065849.Advantageously, injection of inert gas (s) and / or injection of oxygen or oxygen-enriched gas may be combined with low oxygen transport and spray donation to increase the temperature in the fuel ignition zone. thus reducing fuel NOx formation as described in patent application WO 2004/065849.
0 método de calcinação de acordo com a invenção éparticularmente vantajoso quando são utilizadoscombustíveis sólidos com forte teor de nitrogênio, como ocarvão e o coque de petróleo. No momento da utilização deum combustível sólido, este é pulverizado por um gás vetor,tal como o ar, o mais utilizado é o ar.The calcination method according to the invention is particularly advantageous when solid nitrogen-rich fuels such as charcoal and petroleum coke are used. When using a solid fuel, it is sprayed by a vector gas, such as air, the most used is air.
O método de acordo com a invenção pode ser utilizadoem qualquer método industrial, tal como a fabricação docal, do vidro, e principalmente do cimento. A utilização dométodo de acordo com a invenção para a calcinação de ummaterial a base de minérios é particularmente vantajosa.The method according to the invention may be used in any industrial method, such as the manufacture of docal, glass, and especially cement. The use of the method according to the invention for the calcination of an ore-based material is particularly advantageous.
No entanto, o método de acordo com a invenção podeigualmente ser utilizado quando a totalidade ou parte doscombustíveis empregados para o método industrial decombustão a elevada temperatura são combustíveis gasososcom baixo teor de nitrogênio. Principalmente, no caso deuma utilização predominante de combustível gasoso com baixoteor de nitrogênio para um método de fabricar cimento, ométodo de acordo com a invenção pode vantajosamente sercombinado com o sistema de combustão oscilante, que permiteo aumento da inibição da formação dos NOx térmicos. Estesistema é patenteado pelo requerente (EUA 5,302,1 11).However, the method according to the invention may also be used when all or part of the fuels employed for the high temperature combustion industrial method are low nitrogen gas fuels. Particularly, in the case of a predominant use of nitrogen-low gaseous fuel for a cement making method, the method according to the invention may advantageously be combined with the oscillating combustion system, which allows increased inhibition of thermal NOx formation. This system is patented by the applicant (US 5,302,1 11).
A presente invenção refere-se igualmente a umdispositivo de combustão, que compreende:The present invention also relates to a combustion device comprising:
um queimador susceptível de ser alimentado decomburente e combustível,a burner capable of being powered by fuel and fuel,
- um meio de injeção de ar que assegura a emissão deum fluxo de ar ao redor do queimador,- an air injection medium which ensures the emission of air around the burner,
- pelo menos um lançador de injeção de gás inerte,tendo uma primeira extremidade de chegada de gás e umasegunda extremidade de saída de gás, a segunda extremidadede saída de gás estando mais próxima do eixo longitudinaldo queimador que a primeira extremidade de chegada de gás,e/ou- at least one inert gas injection launcher having a first gas inlet end and a second gas outlet end, the second gas outlet end being closer to the longitudinal axis of the burner than the first gas inlet end, and /or
- pelo menos um lançador de injeção de oxigênio ou degás enriquecido de oxigênio, tendo uma primeira extremidadede chegada de gás e uma segunda extremidade de saída degás, primeira extremidade de chegada de gás estando maispróxima do eixo longitudinal do queimador que a segundaextremidade de saída de gás.- at least one oxygen-enriched or oxygen-enriched degasser launcher having a first gas inlet end and a second gas outlet end, first gas inlet end being closer to the longitudinal axis of the burner than the second gas outlet end .
A fim de permitir uma velocidade de injeção superior a0,5 Mach e preferivelmente superior a 1 Mach, a extremidadede saída do lançador de oxigênio ou de gás enriquecido emoxigênio é preferivelmente equipada de uma tubulação ditaDe Lavai, com sucessivamente uma secção convergente emseguida divergente. A pressão de alimentação do gás éajustada em função do diâmetro do injetor e da velocidadeprocurada.In order to allow an injection speed greater than 0.5 Mach and preferably greater than 1 Mach, the outlet end of the oxygen or oxygen-enriched gas launcher is preferably equipped with a Lavai-like tubing, with successively a divergent converging section followed. Gas supply pressure is adjusted as a function of injector diameter and demanded speed.
Preferivelmente, o lançador de gás inerte é inclinadoem um ângulo a compreendido entre 0o e 45°, que é formadopelos eixos longitudinais do lançador e do queimador, e olançador de oxigênio ou de gás enriquecido de oxigênio éinclinado em um ângulo J3 compreendido entre 0o e 20°, que éformado pelos eixos longitudinais do lançador e doqueimador. Em um modo de realização preferido, odispositivo de acordo com a invenção compreende pelo menosdois lançadores de gás inerte arranjados concentricamenteao redor do queimador e/ou pelo menos dois lançadores deoxigênio ou de gás enriquecido de oxigênio arranjadosconcentricamente ao redor do queimador. Desta maneira, umamelhor homogeneização da entrada do ou dos gases e assim datemperatura da chama é obtida. 0 ângulo a entre os eixoslongitudinais do queimador e do lançador de gases inerte(s)é escolhido de forma a permitir a injeção do gás inertedentro da chama. Vantajosamente, é compreendido entre O0 e45°, preferivelmente entre 0o e 20°, este valor varia deacordo com a geometria do método considerado e ocomprimento característico de chama, definido em primeiraaproximação como o comprimento da chama visível.Preferably, the inert gas launcher is inclined at an angle between 0 ° and 45 °, which is formed by the longitudinal axes of the launcher and burner, and the oxygen or oxygen enriched gas olancer is inclined at an angle J3 between 0 ° and 20 °. °, which is formed by the longitudinal axes of the launcher and the burner. In a preferred embodiment, the device according to the invention comprises at least two concentrically arranged inert gas launchers around the burner and / or at least two concentrically arranged oxygen or oxygen enriched launchers around the burner. In this way, a better homogenization of the inlet of the gas or gases and thus the flame temperature is obtained. The angle a between the longitudinal axes of the burner and the inert gas launcher (s) is chosen to allow injection of the inert gas within the flame. Advantageously, from 0 ° to 45 °, preferably from 0 ° to 20 °, this value varies according to the geometry of the method under consideration and the characteristic flame length, defined at first approximation as the visible flame length.
0 ângulo {3 entre os eixos longitudinais do queimador edo lançador de oxigênio ou de gás enriquecido de oxigênio éescolhido tal como o fluxo de oxigênio ou de gásenriquecido em oxigênio fornecido por este lançadortangente a chama. É compreendido vantajosamente entre O0 e20°, preferivelmente entre 0o e 10°, este valor varia deacordo com a geometria do método considerado e ocomprimento característico de chama. Desta inclinação do oudos lançadores de oxigênio ou gás enriquecido em oxigêniopróximo ao exterior da chama resulta em um alargamento dachama, aumentando assim o volume de combustão e reduzindomais os picos de temperatura dentro da chama.The angle (3) between the longitudinal axes of the oxygen-enriched or oxygen-enriched gas burner and launcher is chosen such as the flow of oxygen or oxygen-enriched gas provided by this flame-striking launcher. It is advantageously comprised between 0 ° and 20 °, preferably between 0 ° and 10 °, this value varies according to the geometry of the method considered and the characteristic flame length. This tilting of the other oxygen-enriched oxygen or gas launchers near the outside of the flame results in a broadening of the flame, thereby increasing the combustion volume and further reducing the temperature peaks within the flame.
Em um modo de realização, o dispositivo de acordo coma invenção compreende a nível da saída do queimador umapêndice na forma de bico que tem os bordos internos eexternos dilatados. Os bordos internos são dilatados de umângulo y lá em relação ao eixo longitudinal do queimador eos bordos externos são dilatados de um ângulo 5 em relaçãoao mesmo eixo. Vantajosamente, o ângulo y está compreendidoentre 0o e 45°, preferivelmente entre 0o e 25°, e o ânguloõ entre 0o e 45°, pref erivelmente entre 0o e 30°. Odilatamento dos bordos internos deste apêndice aumenta asrecirculações dos gases na chama a nível da saída doqueimador. Obtém-se assim uma combustão mais rápida ecompleta. Devido aos seus bordos externos dilatados, oapêndice serve ao defletor que pode guiar do ar secundáriosobre uma trajetória como a que se mistura com a chama anível da segunda zona de combustão. Isto permite otimizar oescalonamento do oxigênio. 0 apêndice é constituído de ummaterial resistente a temperaturas elevadas, ou seja alémde 1500°C. Trata-se preferivelmente de uma cerâmica ou deum material refratário.In one embodiment, the device according to the invention comprises at the burner outlet level a spout-shaped appendage having enlarged inner and outer edges. The inner edges are dilated by an angle y there with respect to the longitudinal axis of the burner and the outer edges are dilated by an angle 5 with respect to the same axis. Advantageously, the angle y is between 0 ° and 45 °, preferably between 0 ° and 25 °, and the angle is between 0 ° and 45 °, preferably between 0 ° and 30 °. Tampering with the inner edges of this appendix increases the gas recirculations in the flame at the burner outlet level. This results in faster and more complete combustion. Due to its enlarged outer edges, the appendix serves as the deflector that can guide secondary air over a trajectory such as it blends with the flame level of the second combustion zone. This allows optimizing oxygen scaling. The appendix is made of high temperature resistant material above 1500 ° C. It is preferably a ceramic or a refractory material.
O dispositivo de combustão de acordo com a invençãopode ser utilizado em qualquer tipo de forno industrial aelevada temperatura. No entanto, é particularmente adaptadoaos fornos giratórios tais como foram utilizados naindústria de fabricação de cimento.The combustion device according to the invention can be used in any type of industrial oven at high temperature. However, it is particularly suited to rotary kilns as they have been used in the cement manufacturing industry.
Outras particularidades e vantagens da invençãoaparecerão pela leitura da descrição seguinte, feita emreferências as figuras nas quais:Other features and advantages of the invention will appear from reading the following description, referring to the figures in which:
a figura 1 representa esquematicamente um cortetransversal de um modo de realização de um dispositivo decombustão de acordo com a invenção,Figure 1 schematically shows a cross-sectional view of one embodiment of a combustion device according to the invention;
- a figura 1 A representa esquematicamente um detalheda figura 1,- Figure 1A schematically represents a detail of Figure 1,
a figura 2 representa esquematicamente um cortetransversal de um outro modo de realização de umdispositivo de combustão de acordo com a invenção,Figure 2 schematically depicts a cross-section of another embodiment of a combustion device according to the invention;
- a figura 2A representa esquematicamente um detalheda figura 2,- Figure 2A schematically represents a detail of Figure 2,
a figura 3 representa esquematicamente um cortetransversal de um detalho opcional de um dispositivo decombustão de acordo com a invenção.Figure 3 schematically shows a cross-sectional view of an optional detail of a combustion device according to the invention.
As figuras 1 e 2 representam esquematicamente adisposição de dois lançadores de gás inerte (s) 2 e deoxigênio ou de gás enriquecido em oxigênio 3respectivamente ao redor do queimador 1 a nível da saída deum forno 5 giratório de calcinação. 0 forno 5 éligeiramente inclinado de forma a permitir a evacuação doclinquer 6. 0 queimador 1 é alimentado com um fluxo decombustível e de ar primário. Após ignição deste fluxo temum nível da saída do queimador 1, obtém-se a chama F.Figures 1 and 2 schematically depict the arrangement of two inert gas (s) 2 and deoxygen or oxygen-enriched gas 3 launchers respectively around the burner 1 at the outlet level of a calcining rotary kiln 5. The furnace 5 is slightly inclined to allow any evacuation 6. The burner 1 is supplied with a combustible flow and primary air. After ignition of this flow has a burner output level 1, flame F.
Sobre as figuras 1, 2 e 3, a chama F é recortados emduas zonas I e II de combustão. 0 limite destas duas zonasI e II é constituído pelo lugar onde a chama F atinge umatemperatura de 1500°C: na zona I a temperatura é inferior a1500°C e na zona II ela é superior a 1500°C.On Figures 1, 2 and 3, flame F is cut into two combustion zones I and II. The boundary of these two zones I and II is where the flame F reaches a temperature of 1500 ° C: in zone I the temperature is below 1500 ° C and in zone II it is above 1500 ° C.
O forno giratório 5 é equipado igualmente de um meiode injeção de ar (não representado sobre as figuras) queassegura a emissão de um fluxo b de ar secundário ao redordo queimador. Este fluxo b traz a maior parte do ar decombustão e permite assim completar a combustão docombustível iniciada pelo ar primário.The rotary kiln 5 is also equipped with a half air injection (not shown above) which ensures the emission of an air flow b secondary to the burner flange. This flow b brings most of the combustion air and thus makes it possible to complete the combustion of fuel initiated by the primary air.
A figura 1 representa um dispositivo de combustão deacordo com a invenção que compreende dois lançadores 2 degás inerte, arranjados concentricamente ao redor doqueimador 1. Os lançadores 2 de gás inerte são opostosdiametralmente. Os lançadores 2 têm uma primeiraextremidade 2a de chegada de gases e uma segundaextremidade 2b de saída de gases, a segunda extremidade 2bde saída de gases estando contudo mais próximas do eixolongitudinal do queimador 1 que a primeira extremidade 2ade chegada de gases. Vantajosamente, o lançador 2 de gásinerte é inclinado em um ângulo α compreendido entre O0 e45°, preferivelmente entre 0o e 20°, que é formado peloseixos longitudinais do lançador e do queimador (Figura IA).Fig. 1 is a combustion device according to the invention comprising two inert gas launchers 2 concentrically arranged around burner 1. Inert gas launchers 2 are diametrically opposed. The launchers 2 have a first gas inlet end 2a and a second gas outlet end 2b, the second gas outlet end 2b being, however, closer to the longitudinal axis of the burner 1 than the first gas inlet end 2. Advantageously, the gasoline launcher 2 is inclined at an angle α of between 0 ° and 45 °, preferably between 0 ° and 20 °, which is formed by the longitudinal shafts of the launcher and burner (Figure 1A).
O valor do ângulo α varia de acordo com a geometria dométodo considerado e do comprimento característico dachama.The value of angle α varies according to the geometry of the method considered and the characteristic length of the dachama.
A figura 2 representa um dispositivo de combustão deacordo com a invenção que compreende dois lançadores 3 deoxigênio ou gás enriquecido de oxigênio, arranjadasconcentricamente ao redor do queimador 1. Os lançadores 3de gás inerte são diametralmente opostas. Os lançadores 3têm uma primeira extremidade 3a de chegada de gases e umasegunda extremidade 3b de saída de gases, a primeiraextremidade 3a de chegada de gases estando mais próximas doeixo longitudinal do queimador 1 que a segunda extremidade3b de saída de gases. Vantajosamente, o lançador 3 deoxigênio ou gás enriquecido em oxigênio é inclinada de umângulo β compreendido entre 0o e 20°, preferivelmente entre0o e 10° que é formado pelos eixos longitudinais dolançador e do queimador (Figura 2A) . 0 valor do ângulo βvarie de acordo com a geometria do método considerado e ocomprimento característico da chama.Figure 2 is a combustion device according to the invention comprising two oxygen or oxygen enriched gas launchers 3 arranged concentrically around burner 1. Inert gas launchers 3 are diametrically opposed. The launchers 3 have a first gas inlet end 3a and a second gas outlet end 3b, the first gas inlet end 3a being closer to the longitudinal axis of the burner 1 than the second gas outlet end 3b. Advantageously, the deoxygen or oxygen enriched gas launcher 3 is inclined from an angle β between 0 ° and 20 °, preferably between 0 ° and 10 ° which is formed by the longitudinal and burner longitudinal axes (Figure 2A). The value of the angle βvarie according to the geometry of the method considered and the characteristic length of the flame.
Em um modo de realização vantajoso, não representado,os dois modos de realização representados sobre as figuras1 e 2 são combinados para formar um só dispositivo demelhoria da combustão de acordo com a invenção.In an advantageous embodiment not shown, the two embodiments depicted on figures 1 and 2 are combined to form a single combustion enhancing device according to the invention.
A figura 3 representa um apêndice 4, que é colocadosobre o queimador 1 a nível da sua saída. Este apêndice 4tem a forma de um bico com os bordos internos 4a eexteriores 4b dilatados. Os bordos 4a internos sãodilatados de um ângulo γ lá em relação ao eixo longitudinaldo queimador e os bordos 4b externos são dilatados de umângulo δ em relação ao mesmo eixo, o ângulo γ sendo maiorque o ângulo δ. Vantajosamente, o ângulo está compreendidoentre 0o e 45°, preferivelmente entre 0o e 25°, e o ânguloδ entre 0o e 45°, preferivelmente entre 0o e 30°.Figure 3 represents an appendix 4, which is placed over burner 1 at its exit level. This appendix 4 has the shape of a nozzle with the inner edges 4a and the outer 4b dilated. The inner edges 4a are dilated from an angle γ there relative to the longitudinal axis of the burner and the outer edges 4b are dilated from an angle δ relative to the same axis, the angle γ being greater than the angle δ. Advantageously, the angle is from 0 ° to 45 °, preferably from 0 ° to 25 °, and the angle δ from 0 ° to 45 °, preferably from 0 ° to 30 °.
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